光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑中的應(yīng)用探析

摘要：結(jié)合光伏建筑一體化項(xiàng)目，對(duì)其地理位置、氣候類(lèi)型、日照情況等因素進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，對(duì)本項(xiàng)目的太陽(yáng)能總體資源進(jìn)行評(píng)估。對(duì)太陽(yáng)能光伏組件發(fā)電效率最大化進(jìn)行比較與模擬分析，完成屋頂光伏組件等設(shè)備的選型，確定太陽(yáng)能光伏組件的最佳傾角、間距等設(shè)計(jì)參數(shù)；對(duì)不同的建筑類(lèi)型進(jìn)行分析，完成發(fā)電量計(jì)算，并進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)的對(duì)比分析。可以為建筑電氣設(shè)計(jì)者提供借鑒。

關(guān)鍵詞：建筑光伏一體化"光伏發(fā)電"新能源"發(fā)電量計(jì)算

Analysis"on"Application"of"Photovoltaic"Power"Generation"System"in"Buildings

CUI"Mingming

Beijing"Wanhe"Shuangxin"Real"Estate"Development"Co.，"Ltd.，"Beijing，"100024"China

Abstract：This"study"combines"the"photovoltaic"building"integration"project，"analyzes"its"geographical"location，"climate"type，"sunshinenbsp;conditions"and"other"factors，"and"evaluates"the"overall"solar"energy"resources"of"this"project"based"on"the"analysis."Through"the"comparison"and"simulation"analysis"of"the"maximum"power"generation"efficiency"of"solar"photovoltaic"components，"the"selection"of"equipment"such"as"roof"photovoltaic"components"is"completed，"and"the"optimal"inclination"angle，"spacing"and"other"design"parameters"of"solar"photovoltaic"components"are"determined."Different"building"types"are"analyzed"to"complete"the"power"generation"calculation，"followed"by"a"technical"and"economic"comparative"analysis."It"provides"reference"for"building"electrical"designers.

KeyWords："Building"photovoltaic"integration;"Photovoltaic"power"generation;"New"energy;"Power"generation"calculation

隨著全球能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，可再生能源的開(kāi)發(fā)利用成為世界各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)。光伏發(fā)電作為一種清潔、可再生的能源形式，其因高效、環(huán)保的特點(diǎn)而在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。將光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑相結(jié)合，不僅可以有效減少建筑的能耗，還能顯著提升建筑的可持續(xù)性和環(huán)境友好性。近年來(lái)，隨著光伏技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的逐漸降低，光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑中的應(yīng)用逐漸從高端建筑向普通民用建筑拓展，展現(xiàn)出巨大的市場(chǎng)潛力和應(yīng)用前景。然而，光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑中的應(yīng)用仍面臨一系列挑戰(zhàn)，包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建筑一體化的問(wèn)題、能源管理與存儲(chǔ)技術(shù)的不足、政策支持與經(jīng)濟(jì)激勵(lì)的欠缺等。本文將以國(guó)家開(kāi)放大學(xué)魏善莊校區(qū)利用屋頂與大棚建設(shè)的光伏發(fā)電項(xiàng)目為例，全面探討光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑中的應(yīng)用，以期為建筑電氣設(shè)計(jì)人員提供參考。

1"項(xiàng)目概況與日照資源分析

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)作為一種清潔、可再生的能源解決方案，在建筑供配電中的應(yīng)用日益廣泛。本項(xiàng)目位于北京市南部大興某校區(qū)，利用校區(qū)內(nèi)的屋頂與大棚建設(shè)光伏發(fā)電項(xiàng)目，本項(xiàng)目裝機(jī)容量為1.1"MWp。校區(qū)建筑物安裝分布式光伏組件，位置均為混凝土屋頂。屋頂承重完全合理，屋面適合安裝組件，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求并可以全部敷設(shè)。

校區(qū)主建筑占地8"298"m2，國(guó)開(kāi)會(huì)議中心占地2"875"m2，東北門(mén)坡屋頂?shù)蛯咏ㄖ嫉?69"m2，東北門(mén)公寓樓占地885"m2。

1.1"自然條件

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑供配電中的應(yīng)用展現(xiàn)了巨大的潛力和多重效益[1]。北京市山區(qū)面積為10"200"km2，平原區(qū)面積為6"200"km2，約占總面積的38%。北京的地形西北高、東南低，北京市平均海拔43.5"m，北京平原的海拔高度在20～60"m，山地一般海拔1"000～1"500m。在這樣的自然條件下，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)溫度儀和輻照儀監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)，利用太陽(yáng)能電池陣列高效轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能，經(jīng)由匯流箱、直流柜、逆變器和升壓系統(tǒng)傳輸和轉(zhuǎn)換電能，最終通過(guò)高壓電網(wǎng)輸送到建筑供配電系統(tǒng)（如圖1所示）。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理和優(yōu)化控制。

1.2"太陽(yáng)能資源概況

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化是確保其在建筑供配電中高效運(yùn)行的關(guān)鍵。北京地區(qū)年日照時(shí)數(shù)達(dá)到2"600～3"000"h，年累計(jì)太陽(yáng)輻照量達(dá)到5"000～6"000"MJ/m2，接受太陽(yáng)能輻射總量約為26×1011"kg標(biāo)準(zhǔn)煤[2]。

2"工程設(shè)計(jì)

2.1"系統(tǒng)的構(gòu)成

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是將太陽(yáng)電池組件發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻、同相的交流電后直接送往電力系統(tǒng)。由于光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能僅供本地負(fù)荷使用，因此具有設(shè)計(jì)建設(shè)靈活、電能利用率高、對(duì)電網(wǎng)影響較小等優(yōu)點(diǎn)，可被廣泛適用于建筑屋頂光伏電站、村落光伏電站等中小型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)[3]。該系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

通過(guò)計(jì)算，可以得出北京地區(qū)在35°傾角時(shí)傾斜面輻射量最大。

本項(xiàng)目需利用屋頂考慮最大發(fā)電量，知道光伏組件安裝的角度、緯度，通過(guò)Pvsyst模擬。當(dāng)傾斜角為10°時(shí)，組件能安裝最大化，能有最大發(fā)電量。

2.2"光伏發(fā)電系統(tǒng)組件設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能電池板作為整個(gè)光電轉(zhuǎn)換裝置的基礎(chǔ)部件，其性能、封裝材料、結(jié)構(gòu)形式等都需要綜合考量。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)考慮各種設(shè)備的裝配與工作環(huán)境，保證其對(duì)各種氣象、環(huán)境的適應(yīng)性。在太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)中，光伏組件是最重要的組成部分之一[4]。光伏組件的設(shè)計(jì)不僅要考慮光伏電池的類(lèi)型和性能指標(biāo)，還需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)確定最佳的布局和安裝方式。

在建筑電氣系統(tǒng)中，光伏組件的設(shè)計(jì)必須兼顧美觀性、安全性和高效性。首先，需要合理規(guī)劃光伏組件的安裝位置和角度，以確保太陽(yáng)能的最大捕獲和利用。一般來(lái)說(shuō)，南向（或北半球）的屋頂是最佳的光伏組件安裝位置，因?yàn)檫@樣可以最大程度地接收到陽(yáng)光。其次，需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐木暥群图竟?jié)變化來(lái)調(diào)整光伏組件的角度，以達(dá)到最佳的發(fā)電效果。

2.3"發(fā)電量計(jì)算

根據(jù)太陽(yáng)輻照量、裝機(jī)容量、系統(tǒng)總效率等數(shù)據(jù)，可以預(yù)測(cè)光伏電站的發(fā)電量。光伏電站發(fā)電量計(jì)算公式如下。

式（1）中：L表示光伏并網(wǎng)電站年發(fā)電量（單位為kWh）；W表示固定式發(fā)電單元裝機(jī)容量（單位為kW）；t表示年峰值日照小時(shí)數(shù)，取值1"459.95"h；η表示光伏系統(tǒng)總效率（80%）。

式（2）中，HT表示傾斜面年總太陽(yáng)輻；Io表示標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度（電池組件標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，取值1"000"kWh/m2）。根據(jù)上述公式，計(jì)算出北京1.1"MWp光伏電站在25年內(nèi)的年發(fā)電量情況，25年總發(fā)電量為2"879.873"6萬(wàn)kWh，平均年發(fā)電量為115.194"9萬(wàn)kWh，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

2.4"逆變器技術(shù)

逆變器技術(shù)是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中至關(guān)重要的一部分。逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，以供電網(wǎng)或建筑電氣系統(tǒng)使用。在建筑電氣系統(tǒng)中，逆變器的選擇和安裝對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用[5]。在選擇逆變器時(shí)，需要考慮建筑的電氣負(fù)載與太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，逆變器的額定功率應(yīng)與光伏組件的總輸出功率相匹配，以確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

綜上所述，北京市光照條件較好，太陽(yáng)能資源較為豐富，土地資源稀缺。

3"結(jié)語(yǔ)

科技進(jìn)步和環(huán)保理念的深化正在推動(dòng)建筑電力系統(tǒng)中光伏技術(shù)的革新進(jìn)程。本項(xiàng)目的建設(shè)將優(yōu)化項(xiàng)目所在地的能源結(jié)構(gòu)，提高可再生能源發(fā)電比例，減輕地方政府和企業(yè)節(jié)能減排的壓力。本項(xiàng)目為光伏與建筑結(jié)合的分布式項(xiàng)目，符合國(guó)家能源產(chǎn)業(yè)政策。

參考文獻(xiàn)

[1]"朱文韜，周楊，徐藝敏，等.電池儲(chǔ)能技術(shù)在新能源發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用與優(yōu)化[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2024，13（8）：2737-2739.

[2]"孫德宇，王添，劉延峰，等.基于PQ協(xié)調(diào)控制的分布式光伏發(fā)電量自動(dòng)預(yù)測(cè)方法[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2024，43（8）：55-59.

[3]"盛敏，孫建萍.光伏儲(chǔ)能技術(shù)專(zhuān)利現(xiàn)狀[J].中國(guó)科技信息，2024，（16）：14-17.

[4]"張波，高遠(yuǎn)，王磊，等.光伏發(fā)電系統(tǒng)容配比與功率限值整定方法[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2024，45（7）：532-539.

[5]"王一波，趙穎，汪雷，等.2023年中國(guó)光伏技術(shù)進(jìn)展綜述[J].太陽(yáng)能，2024（7）：8-19.